微生物菌劑在餐廚垃圾和水稻秸稈堆肥上的效果研究

李龍濤，饒中秀，董春華，孫繼民，李萬明，韓麗麗，黃鳳球

（湖南省土壤肥料研究所，湖南省新型肥料工程技術研究中心，湖南 長沙 410125）

堆肥是通過微生物將有機物料礦質化、腐殖化，分解為能夠被植物吸收利用的有效態氮、磷、鉀等養分并合成穩定的腐殖質的過程[1]，是處理有機廢棄物的有效途徑。國內外就堆肥做了大量研究，例如通過調節堆肥溫度、通風供氧、水分、pH 值、碳氮比（C/N）、微生物菌群等環境條件，或通過篩選適宜的物料配比來改善堆肥效果[2]。餐廚垃圾有機質含量高，氮磷養分豐富，是良好的有機肥原料，但餐廚垃圾肥料化利用存在含水率高、油脂高、易腐等問題[3-4]。水稻秸稈的C/N 較高而含水率低，二者混合可以優勢互補加快腐熟進程[5]。研究表明，在堆肥中添加外源菌劑，可改變堆體的微生物群落結構，提高有機物分解效率，但是單一微生物菌群促進堆肥進程的作用不如多種微生物復合菌群[6-7]。該研究以餐廚垃圾和水稻秸稈為堆肥原料，以不同組合菌劑為輔料，通過監測堆肥過程的溫度變化以及發酵后的pH 值、C/N、養分含量和重金屬含量，比較不同菌劑組合對餐廚垃圾和秸稈堆肥進程的影響，以期為促進餐廚垃圾、水稻秸稈等有機廢棄物資源的高效利用提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

餐廚垃圾來自湖南某餐廚垃圾處理企業，為經過除雜、破碎和粗分離油水后剩余的有機廢渣，水稻秸稈購自當地市場，粉碎后使用。物料基本性質見表1。

表1 堆肥原料的基本性質

前期經過篩選得到3 種適合降解有機物料的菌劑組合，主要有效菌種如下：B1，枯草芽孢桿菌、酵母菌、木霉菌；B2，解淀粉芽孢桿菌、酵母菌、乳酸菌；B3，枯草芽孢桿菌、酵母菌、乳酸菌。

1.2 試驗設計

以餐廚垃圾為堆肥底物，利用水稻秸稈將物料C/N 調節至25 左右，將微生物菌劑按照1%的質量比例接種到物料中并混合均勻，初始含水率控制在60%～65%，裝入容積約200 L 的堆肥箱進行堆肥。每個堆體重量約65 kg，自然通風。試驗以不加菌劑為對照（CK），添加3 種混合菌劑（B1、B2、B3）為不同處理（T1、T2、T3），每個處理設3 個重復。

1.3 考察指標及方法

溫度：使用溫度計監測堆體溫度值。將溫度計插入堆體中部，每日17：00 測定當日溫度，連續測定3次，以平均值作為每個堆體溫度值。

采樣：將堆體按照高度平均分為上、中、下3 層，采樣時在每層均勻采集200 g，混合后作為一個樣品，風干后過1 mm 篩待測。

檢測方法：將樣品與去離子水按5 ∶1 比例混合后振蕩1 h 過濾，使用電極法測定濾液的pH 值；采用開氏法測定全氮含量；使用比色法測定全磷含量；采用火焰光度計法測定全鉀含量；采用容量法測定總有機碳含量，采用原子熒光光譜法測定汞、砷含量；采用石墨爐原子吸收光譜法測定鎘、鉛、鉻含量；采用原子吸收分光光度法測定銅、鋅含量。

1.4 數據分析

采用SPSS 18.0 軟件對試驗數據進行統計分析，設定5%的顯著性水平。

2 結果與分析

2.1 不同微生物菌劑對堆肥溫度的影響

由圖1 和表2 可知，整個堆肥過程各處理的堆體溫度均呈先上升后下降趨勢，各處理堆體溫度上升迅速，堆制1 d 后均進入高溫期（≥55℃），最高溫度出現在第3 天或第4 天。CK、T1、T2、T3 處理堆體最高溫度分別為64.8、63.9、67.3、67.5 ℃，各處理≥55℃高溫期持續時間分別為8、10、8、7 d，≥60℃高溫期持續時間分別為4、8、5、4 d。T1 處理最高溫度比CK 低 0.9℃，≥55℃高溫期較CK 延長了2 d，≥60℃高溫期較CK 延長了4 d；T2 處理堆體最高溫度較CK 升高了2.5 ℃，≥60 ℃高溫期較CK 延長了1 d；T3 堆體最高溫度較CK 提高2.7 ℃，高溫期持續時間與CK 基本一致。

表2 不同處理堆肥的高溫期溫度特征

圖1 不同處理堆肥的溫度變化

2.2 不同微生物菌劑對堆肥pH 值的影響

由圖2 可知，發酵后各處理的pH 值范圍在7.96～8.11，各處理間pH 值無顯著差異。

圖2 不同處理堆肥的pH 值

2.3 不同微生物菌劑對堆肥養分含量的影響

從圖3 可知，處理間全氮和全磷含量存在顯著差異，全鉀含量差異不顯著。各處理的全氮含量分別為13.0、14.9、15.5、13.8 g/kg，其中T1、T2 處理全氮含量顯著高于CK，T1、T2、T3 處理全氮含量較CK分別增加了14.6%、19.2%和6.2%。各處理的全磷含量分別為3.60、4.87、4.17、3.70 g/kg，其中T1 處理的全磷含量顯著高于CK，T1、T2、T3 處理較對照分別增加了35.3%、15.8%和2.8%。堆肥后各處理的全鉀含量范圍在3.9～4.2 g/kg。

圖3 不同處理堆肥的氮磷鉀養分含量

2.4 不同微生物菌劑對堆肥C/N 的影響

由圖4 可知，各處理堆肥后的C/N 存在顯著差異，T1、T2、T3 處 理 的C/N 分 別 為20.94、22.63、22.65，均顯著低于CK，降幅分別為19.5%、13.0%和12.9%。

圖 4 不同處理堆肥的C/N

2.5 不同微生物菌劑對堆肥重金屬含量的影響

由表3 可知，各處理間的鎘、砷、鉛、鉻等重金屬含量存在顯著差異。其中，T1 處理的鎘、T2 處理的砷和鉻、T3 處理的鉛含量顯著高于CK，T2、T3 處理的鎘及T2 處理的鋅含量顯著低于CK，其余重金屬含量在各處理間差異均不顯著（汞元素在所有處理中均未檢出）。所有處理的重金屬含量均滿足NY525—2021 有機肥料行業標準[8]。

表3 不同處理堆肥的重金屬含量 （mg/kg）

3 結 論

研究結果表明：添加菌劑能夠提高餐廚垃圾水稻秸稈混合堆肥效果，其中B1 菌劑效果最好。具體表現為：（1）添加B1 菌劑處理后，堆體嗜溫菌代謝活性高，高溫期更持久，60℃以上高溫期較CK 延長了4 d；（2）物料分解較為徹底，堆肥完成時的C/N 更低，堆肥產品的氮、磷含量更高。

4 討 論

溫度是評價堆肥效果的重要參數。餐廚垃圾堆肥普遍升溫較慢，整體溫度低，韓濤等[9]以餐廚垃圾和鋸末為原料研究好氧堆肥，在第8 天溫度達到50℃以上。盧梁凝等[10]研究餐廚垃圾靜態堆肥，堆肥周期20 d 均未達到50℃以上溫度。與上述研究相比，該研究的餐廚垃圾和水稻秸稈混合堆肥升溫迅速，堆制1 d 后各處理的堆肥溫度均達到55℃以上；高溫期持續時間也更長，≥50℃的時間均持續10 d 以上，滿足GB7959—2012 糞便無害化衛生標準[11]的要求。這可能與餐廚垃圾中含有大量的淀粉和其他糖類，可以為微生物提供最初的營養底物，快速啟動發酵進程有關。另外，環境溫度較高也可能是混合堆肥升溫快的原因之一[12-13]。添加B1 菌劑可以延長堆肥高溫期時間，T1 處理≥60℃高溫期持續時間為8 d，較對照延長了4 d，說明加入B1 菌劑后，堆體的微生物尤其是嗜熱性微生物的代謝活性增強，物料分解更為充分，這與T1 處理的氮、磷含量高，C/N 最低的結果相吻合[14-15]。

好氧堆肥中氮損失主要有氨化作用、硝化作用和反硝化作用等途徑，其中氨化作用中的氨氮揮發是氮損失的主要途徑，約占氮損失量的44%～99%，對有機肥的質量和品質影響較大[16]。而氨氮揮發受到溫度、C/N、含水率、pH 值和供氧量等因素的共同影響，對上述因素進行合理調控可以有效控制堆肥氮損失[17]。該研究設置餐廚垃圾和水稻秸稈混合堆肥初始C/N 為25～30，將含水率調節至65%左右，初始pH 值為5.92，符合堆肥的基本要求且有利于堆肥過程中的氮素保留。但是堆肥升溫較快導致氨揮發損失較多，造成了各處理的氮含量均有所下降，與劉標等[18]的研究結果相似。其中，T1 處理堆肥后含氮量相對較高，可能由于B1 菌劑的添加，嗜熱類微生物活動劇烈，餐廚垃圾中的蛋白質等有機物降解產生大量有機酸，控制了pH 值升高從而減少了氨氮揮發，與T1 處理高溫期持續時間更長的結果相吻合。

理論上重金屬含量會因濃縮效應而增加，該試驗各處理的重金屬元素砷、鉛、鉻、銅等含量均出現不同程度的濃縮效應。而鎘、鋅等含量在部分處理顯著降低，可能是由于堆肥前期出現了少量滲濾液，各處理溫度的變化差異引起重金屬元素的滲出率不同導致。一般堆肥前期滲濾液排放量較大，前4 d 的滲濾液體積約占堆肥整個周期的70%[19]。郝瑩[20]發現生活垃圾堆肥滲濾液中鋅含量相對較高，與該研究結論相似。堆肥過程中出現的滲濾液可能會將原料中的重金屬帶入環境而造成污染，而重金屬隨溫度變化差異出現不同滲出率的現象有必要進一步研究。

由于受到試驗場地限制，該試驗存在堆肥體積較小、堆肥周期短等特點，而在體積較小的試驗裝置中高溫期溫度仍可以達到60℃以上，說明試驗具有一定的代表性。在餐廚垃圾與水稻秸稈混合堆肥過程中，哪些微生物起到關鍵作用，幾種微生物聯合使用促進物料堆肥過程的作用機理仍有待后續研究。